就地計(jì)量學(xué)用于CMP中的墊面監(jiān)測(cè)

感謝S mart 2，明確地證明了CMP墊很大程度上都未充分利用，并且在它們有用的壽命還有一半以上時(shí)經(jīng)常被丟棄

化學(xué)機(jī)械平面化（CMP）是半導(dǎo)體、硬盤和LED晶片制造行業(yè)的關(guān)鍵過(guò)程，用于實(shí)現(xiàn)基板晶片所需的平整度。平面化對(duì)于確保結(jié)構(gòu)內(nèi)多層互連的功能性以及在保持均勻性的同時(shí)減少晶片厚度至關(guān)重要。

隨著特征尺寸繼續(xù)縮小和集成級(jí)別繼續(xù)提高，CMP預(yù)計(jì)在未來(lái)微電子設(shè)備的發(fā)展中將扮演越來(lái)越重要的角色。通過(guò)精確控制表面地形和材料屬性，CMP可以實(shí)現(xiàn)新型的設(shè)備架構(gòu)，如3D堆疊、finFETs、納米線和量子點(diǎn)。此外，化學(xué)機(jī)械平面化還可以通過(guò)克服傳統(tǒng)蝕刻技術(shù)的限制，促進(jìn)新材料的集成，如高k電介質(zhì)、低k電介質(zhì)、銅、鈷、石墨烯和碳納米管。

CMP是如何工作的？

CMP結(jié)合化學(xué)和機(jī)械力量去除多余的材料，并在半導(dǎo)體晶片上創(chuàng)建一個(gè)光滑、平坦的表面。它是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高性能微電子設(shè)備的重要技術(shù)。CMP廣泛用于各種應(yīng)用，例如：

在集成電路（ICs）中對(duì)間層電介質(zhì)（ILDs）和金屬層進(jìn)行平面化，以減少寄生電容、提高可靠性并實(shí)現(xiàn)多級(jí)互連。 對(duì)淺溝槽隔離（STI）結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面化，以隔離活性設(shè)備并防止漏電流。 對(duì)絕緣體上的硅（SOI）基板進(jìn)行平面化，增強(qiáng)設(shè)備性能并減少功耗。 對(duì)微電機(jī)電子系統(tǒng)（MEMS）進(jìn)行平面化，以提高功能性并與ICs集成。 對(duì)計(jì)算機(jī)硬盤的磁盤和讀/寫(xiě)頭進(jìn)行平面化，以增加存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)傳輸率。 在CMP過(guò)程中，晶片被固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)夾具上，并被壓在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的拋光墊上。同時(shí)，一種磨料化學(xué)液體（稱為漿料）在晶片和墊之間分布?；瘜W(xué)漿料弱化了晶片的表面，允許墊的粗糙度去除材料。此過(guò)程重復(fù)，直到達(dá)到所需的平面度。

CMP是一個(gè)復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程，涉及許多參數(shù)，如漿料成分、墊材料、壓力、速度、溫度和終點(diǎn)檢測(cè)。特別是，拋光墊的表面性質(zhì)在CMP過(guò)程的質(zhì)量中起到了重要作用，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響從晶片上去除的材料量。由于拋光墊在拋光過(guò)程中退化，需要不斷進(jìn)行再調(diào)整。這通常是通過(guò)在墊表面上的一種磨料過(guò)程來(lái)完成的，使用由不銹鋼或電鍍金剛石制成的旋轉(zhuǎn)磨料或調(diào)整磁盤。

                                                              圖2. CMP前后在金屬線上的內(nèi)部電介質(zhì)橫截面圖

圖3. 晶圓制造 (a) 未使用CMP 和 (b) 使用CMP

CMP的表面計(jì)量學(xué)

在化學(xué)機(jī)械平面化（CMP）過(guò)程中，表面計(jì)量學(xué)是關(guān)鍵，因?yàn)楸砻嬷g的機(jī)械相互作用是所有過(guò)程階段的一個(gè)重要變量。在CMP過(guò)程中需要定期表征的表面包括調(diào)節(jié)盤面、晶圓表面和墊表面。

在高產(chǎn)量生產(chǎn)環(huán)境中，在拋光過(guò)程的自然暫停期間（例如更換晶片時(shí)）進(jìn)行無(wú)損的實(shí)時(shí)墊片表征是非常重要的。這使得可以檢測(cè)墊片關(guān)鍵參數(shù)的漂移，并協(xié)助驗(yàn)證過(guò)程更改。最終的目標(biāo)是延長(zhǎng)消耗品的使用壽命并提高整個(gè)過(guò)程的產(chǎn)量，這對(duì)于任何成功的制造操作都是至關(guān)重要的。

圖4. 調(diào)節(jié)盤面的3D地形圖

影響墊面退化和生命周期的兩個(gè)主要因素是墊槽阻塞和墊光澤。

槽阻塞

在拋光過(guò)程中，從晶片上去除的材料會(huì)沉積在墊槽中，導(dǎo)致阻塞。這一現(xiàn)象阻礙了晶片上均勻的漿料分布，導(dǎo)致晶片中心和邊緣的去除不均勻。

為了預(yù)測(cè)清潔墊槽的需要并確定其最佳時(shí)間，需要監(jiān)測(cè)槽的阻塞。清潔操作可以將墊的使用壽命延長(zhǎng)高達(dá)20%。

墊光澤

墊光澤是一個(gè)更復(fù)雜的現(xiàn)象，當(dāng)墊的拋光能力因表面退化而降低時(shí)會(huì)發(fā)生。這一現(xiàn)象增強(qiáng)了晶片和墊之間的磨損，提高了工藝溫度，并在拋光過(guò)程中產(chǎn)生材料選擇性。

與槽阻塞不同，墊光澤不能容易預(yù)測(cè)，并需要持續(xù)監(jiān)測(cè)以確保CMP過(guò)程的理想性能。

對(duì)于槽阻塞和墊光澤，實(shí)時(shí)墊面監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的。為此，所使用的計(jì)量學(xué)方法必須能夠在濕潤(rùn)條件下工作。浸沒(méi)計(jì)量學(xué)是**能滿足這些要求的方法。

這種方法的主要好處是，墊不需要從拋光機(jī)上移除以進(jìn)行表征。這使得可以在墊的生命周期的各個(gè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)墊光澤和槽阻塞。實(shí)地計(jì)量學(xué)已被證明可以延長(zhǎng)墊的使用壽命，允許操作員使用墊，直到它們的有用壽命結(jié)束。

實(shí)地浸沒(méi)計(jì)量系統(tǒng)

幾年前，Sensofar與行業(yè)專家合作開(kāi)發(fā)了一種用于CMP過(guò)程的創(chuàng)新表面計(jì)量解決方案。目標(biāo)是通過(guò)只在必要時(shí)更換墊片，提高每個(gè)墊片的產(chǎn)量并最小化拋光系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間。解決方案是一種非破壞性的、實(shí)地的3合1表面計(jì)量系統(tǒng)，稱為S mart 2。

使用S mart 2，您可以使用便攜式支架快速評(píng)估拋光墊的狀態(tài)，并在墊片仍在拋光系統(tǒng)內(nèi)時(shí)將傳感器放置在墊片上。新的頭部設(shè)計(jì)得更輕、更緊湊。它具有內(nèi)置的電子控制器，使其成為一個(gè)即插即用的系統(tǒng)，只需要兩個(gè)從頭部退出的電纜（電源和通信）。

S mart 2系統(tǒng)可以直接從筆記本電腦操作，提高了便攜性和方便性。它還可以作為獨(dú)立系統(tǒng)使用，或作為自動(dòng)計(jì)量解決方案集成到生產(chǎn)線中。使用S mart 2，您可以迅速獲取和分析數(shù)據(jù)，有效監(jiān)控關(guān)鍵的墊片特性，如光澤和槽阻塞。

S mart的前一版本已經(jīng)證明CMP墊片被低估使用，并且經(jīng)常被丟棄，其壽命的一半以上仍然剩余。隨著S mart 2的推出，監(jiān)控墊片條件并成功延長(zhǎng)其使用壽命變得更加容易。

S mart 2用于CMP監(jiān)測(cè)

S mart 2配備了Sensofar的**技術(shù)和高強(qiáng)度藍(lán)色LED，將共焦、Ai焦點(diǎn)變化和干涉測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一個(gè)傳感器中[3]。為CMP應(yīng)用構(gòu)建的SensoPRO軟件插件在S mart 2控制界面內(nèi)為此應(yīng)用提供了所有必要的工具和分析。

S mart 2傳感器提供了一種**的計(jì)量方法，與適當(dāng)?shù)慕](méi)目標(biāo)配合時(shí)，即使仍在拋光機(jī)上也能準(zhǔn)確測(cè)量墊片的粗糙度。

監(jiān)測(cè)槽阻塞 通過(guò)利用共焦和Ai焦點(diǎn)變化技術(shù)，可以迅速檢測(cè)和監(jiān)測(cè)槽的深度和寬度，從而有效地識(shí)別和跟蹤槽阻塞。對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境，通過(guò)SensoPRO軟件插件可以進(jìn)行自動(dòng)分析，該插件獨(dú)立地確定槽的寬度和深度，而不考慮其方向。

墊光澤監(jiān)測(cè)

Smart 2及其與水浸沒(méi)條件兼容的共焦技術(shù)可以在調(diào)節(jié)和拋光階段后有效地表征墊面的粗糙度。監(jiān)測(cè)墊的狀態(tài)可以確定調(diào)節(jié)的最佳時(shí)間和需要再生墊面的最佳持續(xù)時(shí)間。這些功能有助于延長(zhǎng)墊的可用壽命，最小化對(duì)控制晶片的需求，并優(yōu)化整個(gè)過(guò)程，從而避免對(duì)完成的晶片進(jìn)行重新處理。

此圖像顯示了在拋光過(guò)程中墊的粗糙度高度如何變化。當(dāng)拋光持續(xù)數(shù)小時(shí)時(shí)，可以在表面分布中觀察到一個(gè)“光澤峰"。在整個(gè)過(guò)程中定期監(jiān)測(cè)墊面使得可以干預(yù)并調(diào)節(jié)墊面，使其恢復(fù)到其初始狀態(tài)。使用此信息優(yōu)化您的拋光過(guò)程并獲得一致的結(jié)果。

圖8. 圖像顯示了在拋光過(guò)程中墊面粗糙度高度的變化。經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的拋光后，表面分布中出現(xiàn)了一個(gè)“光澤峰"。通過(guò)在拋光過(guò)程中定期監(jiān)測(cè)墊面，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整墊面（干預(yù)），以將表面狀態(tài)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖9. 圖像顯示了干預(yù)前的墊子（黑色）與干預(yù)后的墊子（紅色）的比較。左側(cè)的圖像是經(jīng)過(guò)6小時(shí)拋光過(guò)程后的表面，而右側(cè)的圖像是經(jīng)過(guò)12小時(shí)后的。

圖10. (a) 新墊；(b) 使用10小時(shí)后的良好墊；(c) 使用3小時(shí)后的損壞墊。

自動(dòng)分析

S mart 2傳感器使得對(duì)表面參數(shù)的精確控制變得容易。所獲得的數(shù)據(jù)的分析可以被自動(dòng)化，允許操作員將傳感器放置在墊面上，獲取測(cè)量值并獲得報(bào)告。Sensofar的SensoPRO軟件自動(dòng)顯示目標(biāo)參數(shù)值以及特定容差的通過(guò)/失敗報(bào)告，簡(jiǎn)化了流程并減少了出錯(cuò)的可能性。

SensoPRO是質(zhì)量控制經(jīng)理的強(qiáng)大工具，允許直接比較數(shù)據(jù)集并為CMP監(jiān)測(cè)建立自動(dòng)容差。有了SensoPRO，您可以快速且輕松地分析和比較數(shù)據(jù)，確保持續(xù)的質(zhì)量和流程控制。

結(jié)論

CMP確保在晶片上構(gòu)建的結(jié)構(gòu)的平整性和功能性。隨著技術(shù)的進(jìn)步，CMP變得越來(lái)越重要，使其成為研究人員和制造商的關(guān)鍵關(guān)注領(lǐng)域。在這個(gè)背景下，現(xiàn)場(chǎng)表面測(cè)量對(duì)于監(jiān)控CMP過(guò)程、降低成本和確保質(zhì)量至關(guān)重要。Sensofar的新款S mart 2提供先進(jìn)的采集和分析工具來(lái)支持CMP研究和質(zhì)量控制。通過(guò)利用S mart 2的高級(jí)功能，研究人員和制造商可以優(yōu)化他們的CMP過(guò)程，獲得**的結(jié)果，并在一個(gè)迅速發(fā)展的行業(yè)中保持**地位。

參考文獻(xiàn)

1.  Mahadevaiyer Krishnan, Jakub W. Nalaskowsk, and Lee M. Cook, “Chemical Mechanical Planarization: Slurry Chemistry, Materials, and Mechanisms" Chem. Rev., 2010, vol. 110, pp 178–204.

2.  Zhengfeng, Wang, Yin Ling, Ng Sum Huan and Teo Phaik Luan. “Chemical Mechanical Planarization." (2001).

3. J. McGrath, C. Davis. Polishing pad surface characterization in chemical mechanical planarization. Journal of material processing technology, 153-154 (2014).

4. T. Moore, N. Schwarz. NEOX Ex-Situ CMP Pad. NCCAVS, CMP Users Group Proceedings (2013).

5. R. Artigas, F. Laguarta, C. Cadevall. Dual-technology optical sensor head for 3D surface shape measurements on the micro- and nanoscale. Optical Metrology in Production Engineering, Proc. SPIE 5457 (2004).